C++ | 虚函数

在 C++ 面向对象编程领域，多态性堪称核心概念，而虚函数则是实现运行时多态的关键所在。

一、虚函数的概念与作用

1.1 什么是虚函数

虚函数是 C++ 中用于实现动态多态的成员函数。在基类中使用virtual关键字声明虚函数后，派生类能够重写（override）该函数。这样一来，当通过基类指针或引用调用此函数时，实际执行的将是派生类中的函数版本。

class Animal {
public:virtual void makeSound() {cout << "Animal sound!" << endl;}
};class Dog : public Animal {
public:void makeSound() override {cout << "Woof!" << endl;}
};
// 使用示例
Animal* animal = new Dog();
animal->makeSound();

上述代码中，Animal类声明了虚函数makeSound，Dog类继承自Animal类并重写了makeSound函数。通过Animal类型的指针调用makeSound函数时，实际调用的是Dog类中的makeSound函数，输出 “Woof!”。

1.2 虚函数的作用

• 运行时多态：根据对象的实际类型来决定调用哪个函数，实现了动态绑定，提高了代码的灵活性和可扩展性。

• 代码扩展性：允许新增派生类，而无需修改基类代码，符合开闭原则，使程序更易于维护和升级。

二、虚函数表（vTable）机制

2.1 虚函数表的结构

每个包含虚函数的类都拥有一个虚函数表（vTable），它本质上是一个函数指针数组，存储着该类所有虚函数的地址。编译器会为每个对象添加一个隐藏指针（vPtr），该指针指向其所属类的虚函数表。

2.2 动态绑定的实现

当通过基类指针调用虚函数时，程序会按以下步骤执行：

1. 通过对象的 vPtr 找到虚函数表。
2. 根据函数在表中的偏移量定位具体函数地址。
3. 执行派生类的函数实现。

三、哪些函数可以是虚函数

虚函数的调用依赖虚函数表指针，同一个类所有对象拥有同一个虚函数表，但是每个对象都有自己独立的虚表指针。所以虚函数的调用需要借用this指针指向虚函数表。

3.1 普通成员函数

这是最常见的虚函数形式。只需在基类的成员函数声明前加上virtual关键字，就可以允许派生类对其进行重写。

class Base {

public:

virtual void func() { /*... */ }

};

3.2 析构函数

特别强调，基类的析构函数必须声明为虚函数。这是为了确保在释放派生类对象时，能够正确调用派生类和基类的析构函数，避免内存泄漏。

class Base {

public:

virtual ~Base() { /* 释放基类资源 */ }

};

class Derived : public Base {

public:

~Derived() override { /* 释放派生类资源 */ }

};

Base* obj = new Derived();

delete obj;

3.3 纯虚函数

纯虚函数通过= 0语法进行定义，它使类成为抽象类，强制要求派生类必须实现该函数。

class Shape {

public:

virtual void draw() = 0;

};

四、哪些函数不能是虚函数

4.1 构造函数

构造函数不能是虚函数。原因在于，对象构造时需要先确定其类型，而虚函数机制依赖于已初始化的 vPtr，在构造函数执行期间，vPtr 尚未建立，无法实现虚函数调用。以下代码无法编译：

4.2 静态成员函数

静态函数属于类，而非对象，不依赖 vPtr。因此，静态成员函数不能声明为虚函数。

4.3 友元函数

友元函数不属于类的成员函数，没有继承特性，也就不存在虚函数的概念。

4.4 内联函数

从技术上来说，内联函数可以声明为虚函数，但inline关键字仅是对编译器的一种建议，要求编译器将函数体直接嵌入到调用处，以提高执行效率。而虚函数的调用需要在运行时动态确定函数地址，这与内联函数的编译时展开特性相悖。因此，当虚函数声明为inline时，编译器通常会忽略该关键字。

4.5 全局函数和普通函数

虚函数必须是类的成员函数，全局函数和普通函数不属于任何类，因此不能声明为虚函数。

五、虚函数的注意事项

• 性能开销：虚函数调用涉及查表过程，相较于普通函数调用，会有一定的性能损耗。

• 内存占用：每个对象需要额外存储 vPtr，通常占用 4/8 字节的内存空间，这在对象数量较多时，可能会对内存使用产生一定影响。

• 设计建议：若基类可能被继承，析构函数应声明为虚函数，以确保资源的正确释放。

六、总结

• 可以是虚函数：普通成员函数、析构函数、纯虚函数。

• 不能是虚函数：构造函数、静态成员函数、友元函数、全局函数和普通函数，以及声明为虚函数但无实际意义的内联函数。

虚函数表是实现动态多态的基石，深入理解其机制，能够帮助我们更好地优化代码结构，提升程序性能。在实际编程中，应根据具体需求合理使用虚函数，充分发挥 C++ 面向对象编程的优势。